Základy a aplikace karbonitridace v solné lázni

Transkript

1 HÄRTEREI-KOLLOQUIUM Berlin, 2006 Základy a aplikace karbonitridace v solné lázni Dr. Joachim Boßlet Durferrit GmbH, Mannheim 1

2 1. Úvod Použití solných lázní je světově rozšířenou metodou pro karbonitridaci ocelí, litiny a sintrovaných železných materiálů. Poskytuje zpracovávanému materiálu signifikantní zlepšení otěruvzdornosti, korozní odolnosti, meze únavy a kluznosti. Často lze použitím této metody nahradit drahý materiál méně kvalitním, popřípadě nahradit jiné nákladnější technologie povrchových a chemicko tepelných úprav. Počátek použití solných lázní pro karbonitridaci sahá až do roku Široké uplatnění této metody počalo v padesátých letech minulého století. V té době se používaly kyanidové solné směsi, v kterých docházelo k oxidaci vzdušným kyslíkem na kyanatan, který byl nositelem a přenašečem dusíku. Tyto soli se používaly do osmdesátých let a svůj význam již téměř zcela ztratily. Solné směsi, které se používají v současné době pro karbonitridaci jsou regenerovatelné a skládají se bez výjimky z netoxických sodných a draselných kyanatanů (poskytovatelé dusíku pro difúzní proces) ve směsi s uhličitanem sodným, draselným nebo lithným. 2. Postup procesu Principielně lze bez zvláštní předúpravy v solné lázni karbonitridovat veškeré typy ocelí, tzn. také austenitické oceli, litiny nebo sintrované železné materiály. Dílčí kroky procesu základní čištění předehřev karbonitridace ochlazení, resp. oxidace omytí se provádí v jednotlivých stanicích (modulech, viz obr.1), které budou následně popsány. 2

3 Obr. 1: Schéma karbonitridační linky s oxidačním ochlazením Pro předčištění je dostačující dvojstupňové ponorné a stříkací zařízení s alkalickým čistícím roztokem v prvním stupni a čistou vodou v druhém stupni. Následně se zpracovávané součásti předhřejí v cirkulační peci na teplotu C. Doba předehřevu závisí na velikosti součástí a pohybuje se od 30 do 120 minut. Solné taveniny jsou ve srovnání s jinými médii neobyčejně bohaté na dusík. Proces karbonitridace začíná ihned po ponoření vsázky do taveniny. Již po několika minutách lze prokázat tvorbu uzavřené sloučeninové vrstvy. Díky reakci povrchu dílců s taveninou se tvoří z alkalického kyanatanu uhličitan, přičemž se velmi pomalu mění složení solné taveniny. Pomocí diskontinuálního nebo ještě lépe kontinuálního přídavku netoxického regenerátoru na bázi organického polymeru se produkt rozkladu uhličitan opět recykluje na aktivní kyanatan. Jelikož tímto nedochází prakticky ke změně objemu taveniny, nevznikají při nastavení požadovaného složení žádné vyčerpané soli (viz obr. 2) Obr. 2: Princip regenerace taveniny 3

4 Uživatelům jsou k dispozici tři odlišné metody karbonitridace v solné lázni: TENIFER, ARCOR C a ARCOR V/N. Všechny tři procesy pracují na výše popsaném principu regenerace a jsou šetrné k životnímu prostředí. Rozdíly v jednotlivých procesech jsou dány odlišným chemickým složením solné taveniny. Proces TENIFER je nejstarší a průmyslově nejrozšířenější metoda. Provozuje se bez zvláštní aktivace taveniny. Aby se dosahovalo sloučeninové vrstvy s co možná nejmenším počtem pórů, je třeba udržovat obsah železa na nízké úrovni. Během procesu ARCOR C (dříve označovaný též SurSulf ) se solná tavenina s vysokým obsahem kyanatanu slabě aktivuje. Aby nedocházelo k příliš silné reakci, je nutné do taveniny v pravidelných intervalech přidávat malé množství sulfidu draselného (K2S). To vede k vysokému podílu pórů ve sloučeninové vrstvě a k tvorbě vrstev s obsahem síry. Při určitých aplikacích, např. se zvláštními požadavky na kluzné vlastnosti nebo na záběhové chování dílců v tribologických systémech, poskytuje tato metoda jisté výhody. ARCOR V TENIFER 90 min CR8 590 C VS: 11 µm 90 min TF1 580 C VS: 12 µm Obr. 3: Tvorba sloučeninové vrstvy na litině GGG40 Při procesu ARCOR V resp. ARCOR N se používá sůl s nízkým obsahem kyanatanu, která je silně aktivována kationtem. Vytvořená sloučeninová vrstva je velmi chudá na póry. To je obzvláště zajímavé pro litiny nebo tzv. ventilové oceli, kde použití předchozích výše uvedených procesů vede k tvorbě silně pórovitých sloučeninových vrstev (viz obr. 3). Kromě toho je solná tavenina použitá při procesu ARCOR V/N podstatně méně citlivá na obsah železa. Rozdíl mezi modifikacemi ARCOR V a ARCOR N záleží v pracovní 4

5 teplotě. Standardní pracovní teplota pro ARCOR V je 590 C, pro variantu N je 630 C. Parametry jednotlivých postupů jsou shrnuty na obr. 4. Proces Teplota Chemie Sloučeninová vrstva TENIFER 580 C neaktivováno kyanatan vysoký střední pórovitost ε-karbonitridy ARCOR C 570 C slabě aktivováno vysoká pórovitost kyanatan vysoký ε-karbonitridy ARCOR V 590 C silně aktivováno nízká pórovitost kyanatan nízký přev. ε-karbonitridy ARCOR N 630 C silně aktivováno nízká pórovitost kyanatan nízký přev. ε-karbonitridy Obr. 4: CLIN (Controlled Liquid Ionic Nitriding) procesy spol. HEF-Gruppe Jako ochlazovací médium lze použít oxidační lázeň, vodu, vzduch, vakuum nebo dusík. Ochlazení do oleje již není žádoucí. Volba se provádí podle složení oceli, citlivosti ke vzniku trhlin a deformací součástí, jakož i podle požadovaných vlastností. Následuje čištění vsázky v horké vodě v čistící kaskádě. Oxidační ochlazení se provádí podle použité taveniny při teplotě 370 až 420 C (lázeň AB1) nebo při teplotě 420 až 430 C (lázeň OX1-2). Doba oxidace je mezi 10 až 20 minutami. Značnou výhodou je, že se oxidačním ochlazením významně zvýší korozní odolnost. To je způsobeno tvorbou magnetitu (Fe 3 O 4 ) v pórech a asi 1 µm silné Fe 3 O 4 vrstvy na sloučeninové vrstvě. Zpracovávané součásti získají černý povrch namísto šedého. Po oxidačním zpracování může následovat leštění (CLIN QP), respektive kombinace leštění a oxidačního následného zpracování (CLIN QPQ). Za povšimnutí stojí skutečnost, že se po oxidačním následném zpracování již nezvyšuje povrchová drsnost. 5

6 3. Zlepšení vlastností 3.1. Tvorba karbonitridační vrstvy Během karbonitridace se tvoří okrajová vrstva, která se skládá z vnější sloučeninové vrstvy a na ní navazující difúzní vrstvy. Sloučeninová vrstva není nanesená, nýbrž vrstva vzniklá ze základního materiálu. Na výbrusu je patrná jako světlý, těžce leptatelný pruh (viz obr. 3) a je zodpovědná za dobrou otěruvzdornost součástí, jelikož nemá kovový charakter. Tvorba a vlastnosti sloučeninové vrstvy jsou závislé nejen na parametrech zpracování (teplota, obsah kyanatanu, doba zpracování), nýbrž i na použitém základním materiálu a na obsahu legovacích prvků. Podle obsahu nitridotvorných prvků se pohybuje povrchová tvrdost sloučeninové vrstvy (na příčném výbrusu) od 700 HV u nelegovaných ocelí až do 1600 HV u vysocelegovaných ocelí. Zvláštním znakem karbonitridační vrstvy získané zpracováním v solné tavenině je jednofázová ε-karbonitridová sloučeninová vrstva s neobyčejně vysokým obsahem dusíku od 6 do 11 hm. % a obsahem uhlíku od 0,5 do 2 hm. %. Obsah dusíku je shodný pro všechny výše uvedené metody karbonitridace v solné lázni. Naproti tomu obsah uhlíku roste od metody ARCOR V/N přes ARCOR C až k TENIFER. Kromě toho je u metody ARCOR C ve sloučeninové vrstvě obsažená síra.. Růst vrstvy je s výjimkou technologie ARCOR N srovnatelný. Při obvyklých dobách zpracování minut se tvoří sloučeninová vrstva o síle µm. S rostoucím obsahem legujících prvků se tloušťka vrstvy snižuje. Obr. 5 ukazuje tloušťky vrstev v závislosti na době zpracování pro lázeň TF1 při teplotě 580 C a obsahu kyanatanu %. Proces ARCOR N se provozuje v oblasti austenitické karbonitridace. Již po krátkém čase se tvoří významné tloušťky vrstvy (viz obr. 6). V oblasti difúzní zóny se nachází nadifundovaný dusík v menších množstvích. Proto se netvoří uzavřená nitridační vrstva. Koncentrační spád směřuje od okraje k jádru. Tvrdost a hloubka difúzní vrstvy je závislá na provozních parametrech a složení použité oceli. Čím vyšší je obsah legujících prvků, tím menší je hloubka nitridační vrstvy při shodných parametrech. Tvrdost naproti tomu roste s obsahem nitridotvorných prvků. 6

7 Síla Verbindungsschichtdicke sloučeninové vrstvy (µm) [µm] min TF1 580 C 0 C45 42CrMo4 18CrNi8 X38CrMoV5.1 X20Cr13 Obr. 5: Tloušťka sloučeninové vrstvy různých materiálů Doba zpracování [min] Síla SV [µm] C38 45 min CR8 630 C 20 µm Obr. 6: Proces ARCOR N 7

8 3.2. Otěruzvdornost a kluzné vlastnosti Sloučeninová vrstva obsahující ε-karbonitrid získaná procesem CLIN snižuje tření a náchylnost k navaření s kovovými proti kusy. Vynikající kluzné a vlastnosti v chodu, jakož i vysoká otěruvzdornost jsou známé a vysoce ceněné vlastnosti dílců karbonitridovaných v solné tavenině. Mnoho testů otěruvzdornosti a praktických aplikací potvrdilo výhody oproti jiným povrchovým vrstvám. Obr. 7 ukazuje relativní otěruvzdornost okrajových vrstev po kalení, karbonitridaci v solné lázni a boridování při adhezívním namáhání. Tento test prokázal, že ne vždy je tvrdost jediným faktorem, který má vliv na otěruzvdornost. Záleží na příslušném mechanismu otěru, jak je vhodné součástku nebo pár součástek hodnotit. Karbonitridované dílce se velmi dobře osvědčily proti adhezivnímu otěru. Došlo ke snížení náchylnosti k zadření oproti jiným okrajovým vrstvám. 100 Relativer Verschleißwiderstand ,1 0,01 C45V 42CrMo4V Salzbadnitrocarburiert karbonitridace v solné lázni 42CrMo4V boriert boridováno Obr. 7: Adhezívní otěr různých vrstev (Stift-Scheibe Test, podle Habig, BAM) 8

9 Plošný Flächenpressung tlak (NImm 2 (N/mm ) 2 ) 2,5 2 1,5 1 0,5 Plasma Nitrocarburiert 5 h 570 C TENIFER 1,5 h 580 C 0 3 m / s 9 m / s Obr. 8: Srovnání odolnosti proti opotřebení (Kotouč-kotouč-Tribometertest; Zdroj: Schnatbaum) Mnoho praktických zkušeností mnohokrát ukázalo, že struktura a složení sloučeninové vrstvy (obsah N a C) výrazně ovlivňuje odolnosti proti opotřebení. Jednofázová vrstva ε- karbonitridů, tak jak vzniká karbonitridací v solné lázni, dosahuje velmi dobrých výsledků. Vrstvy bez obsahu uhlíku nebo s příliš vysokým obsahem se ukázaly v mnoha případech jako výrazně horší. Pórovitost, která se na povrchu sloučeninové vrstvy vyskytuje není sama osobě ukazatelem horších otěrových vlastností. Naopak díky lepšímu zadržení olejového filmu (nebo jiného maziva) často dosahuje výhodnějších kluzných vlastností. Výsledek testu na tribometru s kotouči ze sintrovaného železa je zobrazen na obr. 8. Zde se porovnávají při adhezivním otěru vzorky karbonitridované v plazmě a solné lázni. Výsledky ukazují opět lepší otěrové vlastnosti vzorků zpracovaných metodou TENIFER. Sloučeninová vrstva vzniklá v plazmě byla sice méně pórovitá, obsahovala však γ'-fe 4 N Korozní odolnost S rostoucí tendencí se karbonitridace používá ke zlepšení korozivzdornosti nelegovaných a nízko legovaných ocelí. Také pro korozní odolnost je důležitá tvorba jednofázové ε- Fe x CN sloučeninové vrstvy. Mimoto tu mají význam další dva faktory. Za prvé dostatečná tloušťka ε-nitridační vrstvy o minimální síle 12 µm a za druhé tvorba oxidů železa (Fe 3 O 4 ) na vnějším povrchu a uvnitř pórů. 9

10 500 Test v solné mlze DIN Doba Sprühdauer testu (hod) [h] C45 unbehandelt nezpracováno QPQ 17 µm Cr 20 µm 2 x Cr 40 µm Ni 20 µm Obr. 9: Korozní odolnost různých povrchových vrstev Často se vyskytuje v praxi kombinace korozního a otěrového namáhání. Všude tam, kde dochází k pohybu součástí v korozním prostředí, se nachází aplikace pro karbonitridaci s oxidačním ochlazováním. Pokud dochází v systému dvou dílců ke kontaktu s měkkým proti kusem a tedy pokud je požadována nízká povrchová drsnost zpracovávaných součástí, pak následuje po ochlazení mezilehlé opracování (např.: leštění), aby došlo ke snížení drsnosti (CLIN QP). Zde je třeba dbát na to, aby se odstranila jen nejnutnější nerovnost. Aby byla zajištěna požadovaná korozní odolnost, je vhodné provést následné oxidační zpracování (CLIN QPQ), kdy se vytvoří optimální vrstva oxidů a součást získá rovnoměrnou černou barvu povrchu. To platí také v případech, kdy se metoda QPQ používá pouze z kosmetických účelů. Za povšimnutí stojí skutečnost, že drsnost vyleštěného povrchu se po následné druhé oxidaci již nezvyšuje. Obr. 9 ukazuje srovnání Korozní odolnosti různých galvanických povlaků s vrstvou získanou podle postupu QPQ. 10

11 3.4. Další zlepšení vlastností konstrukčních dílů Na základě zpracování dílů pomocí provozního postupu CLIN se zlepšuje tepelná odolnost povrchové vrstvy. Dosažené zvýšení tvrdosti v difúzní vrstvě zůstává zachované i při vyšších teplotách. Nástroje z oceli pro práci za tepla dosahují při teplotním namáhání výrazně lepší výslednou dobu provozní životnosti. Funkční plochy nástroje zůstávají po delší dobu hladké a do značné míry se zde omezuje přichycování kovu. Dále se díky výhodnějším kluzným vlastnostem snižuje uvolňování třecího tepla. Po určité době používání nástroje, dříve než tepelné narušení spojovací vrstvy postoupí příliš daleko, je možné tyto nástroje po pečlivém očištění znovu karbonitridovat v solné tavenině. Absorpce dusíku v difúzní vrstvě zvyšuje u konstrukčních dílů únavovou pevnost při ohybu za rotace, ale také pevnost na tlak při otáčení. Na konstrukčních dílech, vyrobených z nelegovaných ocelí a opatřených vrubem, je možné pomocí zpracování v době 1 až 2 hodin dosáhnout zvýšení meze únavy o 100 %. U legovaných ocelí se dosahuje zpravidla zlepšení o 30 až 80 %. Z důvodů rozměrové stálosti a tažnosti je potřeba dbát na dostatečné popuštění při teplotách kolem 600 C nebo vyšších. 4. Příklady aplikací Vedle klasických aplikací, při kterých se pomocí karbonitridace v solné tavenině dosahuje zlepšení ochrany proti opotřebení popřípadě únavové pevnosti, se stále větší zájem soustřeďuje na ochranu dílů proti korozi. Postupy karbonitridace v solné lázni se v rostoucí míře používají jako náhrada za galvanické metody úpravy povrchů, jako je chromování, niklování, zinkování, atd., nebo slouží k náhradě korozivzdorných ocelí. V dalším textu uvádíme některé příklady typických aplikací. Ventily ve spalovacích motorech představují konstrukční díly, které musejí splňovat vysoké požadavky v parametrech tepelného zatížení, odolnosti proti opotřebení a korozní odolnosti. Ve srovnání proti dříve obvyklému chromování se mohou při použití karbonitridace uspořit výrobní náklady, protože se v tomto případě již nepožaduje žádné indukční kalení a následné přebroušení. Dále již není potřeba vyrábět dřík výfukového ventilu z oceli pro indukční kalení. Místo toho se může celý ventil vyrábět z tepelně odolné austenitické oceli. Zatím se ročně zpracovává v solné tavenině přes 250 milionů ventilů, a tento počet má i nadále vzrůstající tendenci. Hodnoty časů pro karbonitridaci jsou podle daných specifikací mezi 15 a 90 minutami. Podle velikosti zařízení jsou velikosti výrobních 11

12 dávek v rozmezí od 2500 do 4000 kusů. Tím se dosahuje produktivita procesu výrazně lepší než 1 sekunda na jeden ventil. I díky krátkým hodnotám času procesu se při změnách rozměrů, materiálu nebo požadavků nevyžadují žádné rozsáhlé vyrovnávací kapacity. Obr. 10: QP resp. QPQ zpracované pístní tyčky Karbonitridace v solné lázni v kombinaci s následným oxidačním zpracováním nachází stále vzrůstající využití pro pístní tyčky, hydraulické válce nebo vodicí pouzdra. Jako materiály se zde používají konstrukční oceli, nelegované nebo nízkolegované oceli. Požadované hodnoty pro dobu odolnosti při zkoušce v solné mlze jsou většinou 144 hodin bez vzniku korozních bodů. V jednotlivých případech je předepsaná doba odolnosti až do 400 hodin, která se rovněž dosahuje. Obrázek 10 ukazuje vzorek pístní tyčky pro plynové pružiny, které se používají v automobilovém a v leteckém průmyslu, ve strojírenství nebo pro kancelářské sedačky. Na základě nahrazení chrómové vrstvy se zde dosahuje značná úspora výrobních nákladů. Karbonitridace v solné lázni se provádí v tomto případě na plně automatickém zařízení. Kombinace až 4 karbonitridačních pecí v jedné výrobní lince umožňuje dosažení výrobního taktu v rozsahu 0,5 až 0,6 sekundy na jeden kus pístní tyčky. Pohonné osy pro stěrače se dříve většinou vyráběly se zinkovým nebo s niklovým galvanizovaným povrchem. V průběhu provozu se ale často objevovaly problémy s korozí. Kromě toho je u galvanicky ošetřených dílů poměrně měkká část šikmého ozubení, takže zde může dojít v průběhu používání k prokluzování osy. Karbonitridací v solné tavenině se zatím ročně zpracovává přes 50 milionů těchto osiček (viz obrázek 11), a to u téměř všech vedoucích výrobců automobilů. Závit zde vykazuje lepší odolnost proti prokluzování a v průběhu montáže se může zajistit protimatkou s vyšším utahovacím momentem. Protikorozní odolnost je podle provedení a podle koncového zákazníka až do doby odolnosti 400 hodin při zkoušce v solné mlze. Nekovový charakter karbonitridační vrstvy 12

13 vede i k dosažení nižší hodnoty součinitele tření při chodu této osy v hliníkovém pouzdře. Na základě vyšší nabídky dusíku v solné tavenině a rovněž díky robustnosti procesu se podle výrobních podmínek dosahují lepší a rovnoměrnější výsledky, než tomu je u jiných postupů karbonitridace. Obr. 11: Osičky pohonu stěračů karbonitridované v solné lázni Bild 11: Salzbadnitrocarburierte Scheibenwischerachsen Obr. 12: Segment klikového hřídele pro 2-taktní motory Pro vysoce zatěžované čtyřtaktní motory, jaké se používají pro motorky nebo pro sportovní automobily, ale i u dvoutaktních motorů pro malá letadla nebo pro závodní sněžné skútry, se klikové a vačkové hřídele zpracovávají karbonitridačním postupem. Vysoké požadavky se zde bez problémů splňují i přes anebo právě díky zřetelnému poréznímu okraji ve spojovací vrstvě. Porézní zóna zlepšuje záběhové otěrové vlastnosti a na základě jevu rezervoáru s mazivem poskytuje dobré parametry nouzového chodu. Obrázek 12 ukazuje řez klikové hřídele z materiálu 42CrMo4 pro vysokovýkonné dvoutaktní motory. Pomocí postupu CLIN QP se zde splňují požadavky na odolnost proti opotřebení, únavovou pevnost, kluzné vlastnosti a v neposlední řadě na pevnost ve krutu u sestavené klikové hřídele. Konstrukční díly se automaticky leští kovovými kuličkami v tryskacím zařízení se závěsným dopravníkem. Prováděné zkoušky s díly karbonitridovanými plynem nebo plazmou nepřinesly požadované výsledky. I u vysokoobjemových vznětových motorů pro vozidla SUV (Sports Utility Vehicle = sportovní užitková vozidla) nebo pro užitková vozidla se klikové hřídele, zdvihátka nebo 13

14 rozvodová kola ve velkých počtech zpracovávají v solné tavenině. Další aplikace představují vahadla pro vstřikovací čerpadla a díly pro převodovky a rozvodovky. 5. Technika zařízení Obr. 13: Linka CLIN pro sériovou produkci (pohled ze strany) Obr. 14: Ovládací menu pece TF1 Nyní se rozumí samo sebou, že se může tepelné zpracování v solných lázních realizovat pomocí plně automatizovaných a mikroprocesorově ovládaných zařízení. Pro tento účel jsou k dispozici otevřená nebo uzavřená zařízení. Na obrázku 13 je automatické zařízení pro realizaci technologie CLIN na vlastní výrobu sériových dílů ve výrobní hale. Na základě krátkých časů pro zpracování dílů není potřeba opatřovat žádné rozsáhlé vyrovnávací kapacity a zakládání do vsázkového stojanu probíhá přímo na obráběcích centrech. Ovládání pomocí PC umožňuje přímé ( on-line ) sledování parametrů zařízení i zajišťování rozsáhlé dokumentace k výrobní dávce. Například obrázek 14 znázorňuje schéma pro ovládání karbonitridační pece. Automatické zařízení nejnovější generace je znázorněné na obrázku 15. Toto zařízení ukazuje vysokou flexibilitu nové techniky s využitím podle požadavků v zakázkové kalírně. Při rozsáhlém spektru zpracovávaných dílů musí být možná realizace procesu při různých časech zpracování a s různými variantami ochlazování. Ovládání pomocí PC má k dispozici programový chod s vlastní optimalizací, který zajišťuje optimální průběh výrobní dávky. Velké posuvné dveře umožňují snadný přístup ke složkám systému pro potřeby údržbářských prací. Zavádění nebo doplňování soli popřípadě regenerátoru se uskutečňuje z vnější strany při použití 14

15 Obr. 15: Multifunkční automatické zařízení pro CLIN (komerční kalírna) příslušných žlábků. Kontinuální filtrace taveniny se uskutečňuje rovněž vně zpracovatelského prostoru, takže se může výměna filtru provést bez zásahu do průběhu procesu. Bez problémů je možné ve všech průmyslových zemích dodržet platné směrnice pro ochranu životního prostředí a pro bezpečnost práce. Proti všem předsudkům není ani povolení pro stavbu nového zařízení na zelené louce více komplikované, než to je u jiných postupů karbonitridace. Právě při narůstajícím uvědomování otázek životního prostředí a z toho vyplývajícího přísnějšího zákonodárství získává technika solných lázní nové inovační podněty. Jeden z nejdůležitějších prvků pokroku v posledních letech představuje snížení odpadů díky nasazení regenerovatelných solných lázní a rovněž omezení vzniku odpadových vod v takzvaných bezodpadových kalírnách (viz obrázek 16). Na tomto místě ještě uvedeme, že již velký počet uživatelů postupů karbonitridace v solných lázních zavedl systém řízení životního prostředí podle norem DIN ISO a mají příslušnou certifikaci. 15

16 mokrý filtr sušička jímka odpadní vody odtah plynů přívod čerstvé vody VW NC NC Ox Kaltwassertank 10 % 1,0 % 0,1 % 0,01 % čistící kaskáda Obr. 16: Linka se solnými lázněmi bez odpadových vod 6. Ekobilance V roce 2001 byla zveřejněná studie University Brémy, podporovaná Německou výzkumnou společností, a zaměřená na ekonomickou bilanci procesů karbonitridace v plynném prostředí a v solné lázni. Původně zamýšlené vyhodnocení plazmového postupu karbonitridace a rovněž srovnání nitridace v plynném prostředí a v plazmě nebylo možné provést, protože autoři nedostali k dispozici dostačující údaje. Pro zajištění srovnatelnosti proběhla analýza karbonitridace v ročním počtu kusů klikových hřídelí (1390 tun) z oceli 42CrMo4V při požadované síle sloučeninové vrstvy 10 až 20 µm, vždy na zařízení odpovídajícím tomuto průchozímu výkonu (pec solné lázně 0,75 m³, plynová pec 3,6 m³). V případě plynového postupu se zvažovalo i zpracování ve velmi velkém zařízení (6 m³). Zahrnuly se zde veškeré objemy energetických a materiálových toků chemicko-tepelných procesů od samého začátku a jejich přepočet na objem zpracovávaného zboží; a započítávalo se tedy i zatížení životního prostředí, vznikající při výrobě nasazovaných materiálů (energie, soli, plyny). Následně proběhlo vyhodnocení na základě přidělení 16

17 Technikgestaltung Technologieentwicklung Ökobilanz des Nitrocarburierens nach Methode Umweltbundesamt Bauteildurchsatz: 1390,5 t/a Schadensbeitrag in Nanopunkten nach der Normalisierung Gasofen Gasofen Salzbad Salzbad 6 m 3 3,6 m 3 gasb. elektr. b. Bewertung beinhaltet Belastung durch: Deponieraum Versauerung Nährstoffeintrag Photooxidantienbildung Ökotox. Wirkung Gesundheit. Wirkung Ozonabbau Treibhauseffekt Resourcenverbrauch Quelle: J. Buchgeister Obr. 17: Ekobilance karbonitridace trestných bodů pro nasazené látky a energie, a rovněž pro odpadní plyny, odpadní vody a tuhé odpady. Výsledek tohoto srovnání podle vyhodnocovacích kritérií spolkového zákona pro ochranu životního prostředí je znázorněný na obrázku 17. Postup se solnou lázní, zvláště při použití plynem vytápěné pece, přitom vychází lépe, než karbonitridace v plynném prostředí v plynové peci 3,6 m³, a je zhruba srovnatelný se zpracováním v plynové peci 6 m³, i když se zde nezahrnovalo předběžné čištění konstrukčních dílů, které je u plynového postupu nutné, je značně nákladné a zatěžuje životní prostředí. Pro lepší znázornění proběhl rovněž výpočet škodlivé zátěže ze 100 osobních automobilů, při ročním jízdním výkonu každého z nich km. Zatížení životního prostředí způsobené těmito vozidly prakticky přesně odpovídá trestným bodům, stanoveným pro zpracování v plynové peci 3,6 m³. Tento výzkum plně prokázal, že se při objektivním posouzení ukazuje jako zcela neudržitelný častý předsudek o škodlivosti technologií solných lázní pro životní prostředí a o jejich další neaktuálnosti. 17

18 7. Výhody a nevýhody karbonitridace v solné lázni V závěru si dovolujeme uvést shrnutí důležitých výhod a nevýhod technologie karbonitridace v solné lázni Výhody Nevýhody + vhodná pro všechny oceli a litiny - částečné zpracování možné pouze omezeně +není zapotřebí nákladné předčištění + homogenní a velmi vysoká nabídka dusíku v solné tavenině - proces nelze přestavět na čistou nitridaci nebo cementaci - poměr tloušťky sloučeninové a difúzní vrstvy nelze variabilně měnit + rychlý a rovnoměrný přestup tepla - u některých dílců vysoký výnos solné taveniny + je nutné kontrolovat jen několik málo parametrů - vyšší náklady na následné čištění dílců obsahujících slepé díry + struktura a hustota vsázky mají jen malý dopad na kvalitu + jednoduchý proces, umožňující plnou automatizaci 18